欢喜岭含水稠油流变特性实验研究

齐超 李东妍 李东昕 等

摘 要：因稠油乳状液在生产和运输过程中带来的各种经济损失，所以其被称为石油行业内最为棘手的问题之一。采用RV2旋转流变仪对不同含水率下欢喜岭稠油表观粘度和流变特性进行测定。研究发现，影响稠油乳状液流变特性的因素为：温度、剪切速率和含水率；50 ℃为稠油乳状液的牛顿流体转化温度点；含水40%时乳状液发生转相，由油包水型乳状液转变为水包油型乳状液。稠油流变性的研究和牛顿流体转化温度点、转相点的测定对稠油管道输送、设计和改造有着重要意义。

关 键 词：稠油乳状液；流变特性；转化温度；转相点

中图分类号：TE81 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）03-0466-03

Experimental Study on Rheology of Huanxiling Watery Heavy Oil

QI Chao1， LI Dong-yan2， LI Dong-xin3， WU Yu-guo1， JIANG Ya-jie4， YU Huan1

（1. College of Petroleum and Natural Gas Engineering，Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001， China；

2. PetroChina Pipeline Changchun Oil&Gas Transportation Sub-company，Jilin Changchun 130011，China

3. PetroChina Shenyang Longchang Pipeline Survey Center，Liaoning Shenyang 110168，China；

4. China Petroleum and Natural Gas Pipeline Bureau the First Engineering Branch， Heibei Langfang 065000， China）

Abstract： The heavy oil emulsion can bring out various economic losses during the production and transportation， so it is known as one of the most difficult issues in the oil industry. apparent viscosity and rheology characteristics of Huanxiling heavy oil with different moisture were measured with RV2 rotational rheometer. The results show that temperature， shear rate and moisture are the main factors to affect the rheological properties of heavy oil emulsion. Newtonian fluid transition temperature point of heavy oil emulsion is 50 ℃；Emulsion phase inversion occurs when moisture is 40%， at this time water-in-oil emulsion turns into oil-in-water emulsion. Research on rheological properties of heavy oil and measuring of the Newtonian fluid transition temperature points and phase inversion point are very important for heavy oil pipeline transportation， design and renovation.

Key words： Heavy oil emulsion； Rheological properties； Transformed temperature； Phase transfer point

油包水或水包油型乳状液的液滴尺寸分散通常在微米的范围内[1]。乳状液越稳定，其流动特性的变化越缓慢[2]。在石油工业中，通常在井孔出口处原油与水混合形成乳状液，油水混合物经过阀门、泵的搅拌等

容易形成油包水型或水包油型乳状液，这种稠油乳状液在生产和运输过程中会带来各种经济损失，因此其被称为石油行业内最棘手的问题[3]。在所有石油生产阶段中，稠油乳状液流变性的研究对稠油管道输送、设计、改造和提高稠油的回收利用率等方面都是必不可少的[4]。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验所用的稠油（含水率为10%）取自辽河油田欢喜岭采油厂五区联合站。 通过高剪切分散乳化机分别配制含水率（质量分数）为20%，30%，40%，50%，60%的稠油乳状液。

1.2 实验仪器及原理

旋转流变仪，HAAKE公司；高剪切分散乳化机；低温恒温水浴；天平；磨口瓶等。旋转流变仪的实验基本测量原理主要是根据圆筒旋转时受到的粘滞阻力而产生的力矩来计算所测流体的粘度值。如果外界条件相同，被测流体的粘稠程度将影响力矩的大小，被测流体粘度越大，产生的力矩越大。

1.3 实验方法

为了保证油样具有代表性，在辽河油田欢喜岭采油厂五区联合站现场取样，分装到较小的磨口瓶中，密封保存使用。将油样进行预处理以确保油样相关测试数据的重现性，减小实验误差，一般取80 ℃作为预处理温度，将盛有油样的磨口瓶放入水浴中，静置加热至80 ℃，并在恒温80 ℃下保持2 h，使瓶内油样借助于热运动达到均匀状态，在室温条件下静置冷却48 h以上，作为测试的基础油样。预处理后，应用高剪切分散乳化机制备含水率为别为20%，30%，40%，50%，60%的乳状液，并恒定搅拌10 min，确保油水两相均匀混合，作为实验油样。

利用旋转流变仪和恒温水浴，在30～70 ℃温度区间内，温度间隔为10 ℃。实验分为升温过程和降温过程，分别测出偏转量 ，最后求得偏转量的平均值。测试过程中，在每个测试点的温度、剪切速率要恒定一段时间，使得油样受外界影响均匀，确保数据的准确性。

根据RV2旋转流变仪的实验原理，剪切应力可用下式表示：

（1）

式中： — 剪切应力，Pa；

Z — 仪器测量系统常数（Z1=6.8，Z2=64.32），Pa；

— 偏转量，从实验仪器直接读出，无因次。

表观粘度可用下式表示：

（2）

式中： — 表观粘度，mPa·s；

— 剪切速率，s-1。

2 结果与讨论

2.1 稠油乳状液流变曲线

图1中所示为欢喜岭稠油在不同温度、不同含水率情况下的流变曲线。图1（a），（b），（c）中可以看出：随着剪切速率的增大，各含水率、各温度条件下的剪切应力也增大；所选取的各温度点下的流变曲线斜率互不相同，温度越高，流变曲线的斜率越小，剪切速率对剪切应力的影响程度也就越小；另外，不同含水率条件下的流变曲线没有明显差异。

2.2 温度、剪切速率和含水率对稠油粘度的影响

2.2.1 温度对稠油粘度的影响

温度是影响原油流变特性的主要因素，其主要表征为，稠油的表观粘度对温度的变化十分敏感，温度的小幅度改变就会引起粘度的明显变化。引起粘度变化的主要原因是，当温度升高时，稠油内粒子的布朗运动加剧，使得稠油内部的胶质、沥青质等结构变得松散，稠油内聚力降低，粘度也就减小[5]。

绘制了含水率分别为20%，40%，60%条件下的表观粘度与剪切速率关系曲线图（图2）。从图中可以看出温度对稠油乳状液表观粘度的影响程度，当温度小于50 ℃时，随着剪切速率的逐渐增大剪切应力增大，稠油乳状液受剪切变稀，表观粘度逐渐减小；当温度等于50 ℃或大于50 ℃时，随着剪切速率的增加，稠油乳状液的表观粘度与剪切速率关系曲线图保持水平状态，表观粘度值基本不发生改变或上下波动不大，流体流型逐渐由非牛顿流体转向牛顿流体，说明50 ℃为欢喜岭稠油的牛顿流体转化温度点。

当温度逐渐升高（30～70 ℃）时流体的表观粘度显著降低，说明乳状液表观粘度取决于温度，在整个过程中受温度变化的影响明显。

2.2.2 剪切速率对稠油粘度的影响

当所取温度为30、40 ℃时，随着剪切速率的增加，稠油乳状液的表观粘度逐渐降低，稠油乳状液遵循着剪切变稀的特性（假塑性）；当所取温度为50、60、70 ℃时，剪切速率的变化对表观粘度的改变不明显。

稠油乳状液具有剪切稀释性是因为：乳状液由于体系内颗粒的化学和物理作用会形成一种松散结构，当受到外界剪切作用时，这种松散结构逐渐被破坏，使得稠油乳状液的表观粘度随着剪切速率的增大而减小；非牛顿流体粘度是由于长链分子或颗粒本身的性质而决定的，当稠油乳状液处于静止状态时，内部的长链分子细长纤维呈现出杂乱卷曲状态，当受到外界剪切作用时，它们逐渐沿着剪切方向排列，剪切速率越大，这种定向排列越整齐所受流动阻力越小，因此表观粘度也越小。随着剪切速率减小，稠油乳状液的表观粘度增大，随着剪切速率的增大，这些聚集体会分解成为絮凝体致使粘度减小。

2.2.3 含水率对稠油粘度的影响

绘制了不同剪切速率的条件下的表观粘度与含水率关系曲线图（图3），其中含水率分别为10%，20%，30%，40%，50%，60%。

含水率是稠油乳状液的又一重要影响因素，对稠油乳状液的粘度特性也有着重要影响。由图3可以看出，随着含水率的变化稠油乳状液的表观粘度呈现出比较复杂的变化规律并且是不断变化的，说明此时稠油表现出非牛顿流体特性。图3中大致分为3个阶段，当含水小于40%时，稠油粘度随着含水率的增大而增大，并且温度越低增大的幅度越大，表观粘度增大的原因在于，当乳状液中含水率增加会导致氢键的增加，氢键的增加导致流体动力的增加，因此乳状液的表观粘度增大[2]；当含水为40%～50%时稠油乳状液表观粘度随着含水率的增大而减小，并且温度越高减小的幅度越小；当含水大于50%时，稠油粘度随含水率的增大而减小的趋势逐渐趋于平缓，并且温度越高越趋于平缓。

在含水率为40%时，稠油乳状液的表观粘度发生明显改变，表现为其表观粘度大幅度降低，此时含水稠油由油包水型乳状液转变为水包油型乳状液，也即是说明欢喜岭稠油的转相点为含水40%。探明含水稠油的转相点具有非常重要的实际意义，由于油水混合物的粘度主要由其外相所体现，从输送角度考虑，输送水包油型乳状液所消耗的能量要少于油包水型乳状液所消耗的能量，其中的差异所在就是前者水为外相，而后者油为外相，所以在输送含水稠油时应尽量使稠油乳状液的连续相为水而不是油。

稠油乳状液表观粘度随含水率的变化呈现比较复杂规律的原因是[6]：当含水率较小时，水作为分散相，水液滴之间间隔较大，此时油水分散体系的性质主要通过连续相（油）来体现；当含水率逐渐增大时（10%～40%），连续相（油）中的分散相（水）逐渐增加，相间接触面增大，液滴之间的相互作用增强，在流体中发生液滴间的相互碰撞和相对滑动，以及相间表面能的作用，导致表观粘度的逐渐上升；当含水率接近临界值（40%）的情况下乳状液发生转相，液滴发生形变，这时含水稠油粘度急剧下降（40%～50%）；继续增大含水率（50%～60%）表观粘度下降幅度减小趋于平缓。

3 结 论

本文采用高剪切分散乳化机配制了不同含水率的欢喜岭稠油乳状液，运用RV2旋转流变仪对乳状液在不同条件下的表观粘度以及剪切应力进行测量，得出以下结论：

（1） 随着剪切速率的增大，各含水率、各温度条件下的剪切应力也随之增大；所选取的各温度点下的流变曲线斜率互不相同，温度越高，流变曲线的斜率越小，剪切速率对剪切应力的影响程度也就越小；不同含水率条件下的流变曲线没有明显差异。

（2） 当温度小于50 ℃时稠油乳状液表现出明显的剪切稀释性，流型为非牛顿流体；当温度接近50 ℃时稠油乳状液表观粘度不随剪切速率的变化而变化，稠油表现为牛顿流体特性，50 ℃为欢喜岭稠油乳状液的牛顿流体转化温度点；当含水率为40%时，稠油乳状液的表观粘度明显发生改变，此时稠油由油包水型乳状液转变为水包油型乳状液，所以当含水率为40%时欢喜岭稠油乳状液发生转相。

参考文献：

[1]Lake L W. Petroleum Engineering Handbook： General Engineering[M]. Society of Petroleum Engineers， 2006.

[2]Mc.Clements D J. Food emulsions： principles， practices， and techniques[M]. CRC press， 2004.

[3]Hasan S W， Ghannam M T， Esmail N. Heavy crude oil viscosity reduction and rheology for pipeline transportation[J]. Fuel， 2010， 89（5）： 1095-1100.

[4] Langevin D， Poteau S， Hénaut I， et al. Crude oil emulsion properties and their application to heavy oil transportation[J]. Oil & gas science and technology， 2004， 59（5）： 511-521.

[5]郑维师.稠油油藏高温复合气驱驱油机理研究[D].西安：西安石油大学，2005.

[6]韩洪升，魏兆胜，等.石油工程非牛顿流体力学[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1993：245- 249.